Igneous Rock Associations 19. Greenstone Belts and Granite−Greenstone Terranes Constraints on the Nature of the Archean World

Abstract

Greenstone belts are long, curvilinear accumulations of mainly volcanic rocks within Archean granite−greenstone terranes, and are subdivided into two geochemical types: komatiite− tholeiite sequences and bimodal sequences. In rare instances where basement is preserved, the basement is unconformably overlain by platform to rift sequences consisting of quartzite, carbonate, komatiite and/or tholeiite. The komatiite−tholeiite sequences consist of km-scale thicknesses of tholeiites, minor intercalated komatiites, and smaller volumes of felsic volcanic rocks. The bimodal sequences consist of basal tholeiitic flows succeeded upward by lesser volumes of felsic volcanic rocks. The two geochemical types are unconformably overlain by successor basin sequences containing alluvial–fluvial clastic metasedimentary rocks and associated calc-alkaline to alkaline volcanic rocks. Stratigraphically-controlled geochemical sampling in the bimodal sequences has shown the presence of Fe-enrichment cycles in the tholeiites, as well as monotonous thicknesses of tholeiitic flows having nearly constant MgO, which is explained by fractionation and replenishment of the magma chamber with fresh mantle-derived material. Geochemical studies reveal the presence of boninites associated with the komatiites, in part a result of alteration or contamination of the komatiites. Within the bimodal sequences there are rare occurrences of adakites, Nb-enriched basalts and magnesian andesites. The greenstone belts are engulfed by granitoid batholiths ranging from soda-rich tonalite−trondhjemite−granodiorite to later, more potassic granitoid rocks. Archean greenstone belts exhibit a unique structural style not found in younger orogens, consisting of alternating granitoid-cored domes and volcanicdominated keels. The synclinal keels are cut by major transcurrent shear zones. Metamorphic patterns indicate that low-pressure metamorphism of the greenstones is centred on the granitoid batholiths, suggesting a central role for the granitoid rocks in metamorphosing the greenstones. Metamorphic patterns also show that the proportion of greenstones in granite−greenstone terranes diminishes with deeper levels of exposure. Evidence is presented on both sides of the intense controversy as to whether greenstone belts are the product of modern plate tectonic processes complete with subduction, or else the product of other, lateral tectonic processes driven by the ‘mantle wind.’ Given that numerous indicators of plate tectonic processes – structural style, rock types, and geochemical features − are unique to the Archean, it is concluded that the evidence is marginally in favour of non-actualistic tectonic processes in Archean granite−greenstone terranes.

Résumé

Les ceintures de roches vertes sont des accumulations longiformes et curvilinéaires, principalement composées de roches volcaniques au sein de terranes granitique archéennes, et étant subdivisées en deux types géochimiques: des séquences à komatiite–tholéite et des séquences bimodales. En de rares occasions, lorsque le socle est préservé, ce dernier est recouvert en discordance par des séquences de plateforme ou de rift, constituées de quartzite, carbonate, komatiite et/ou de tholéiite. Les séquences de komatiite-tholéiite forment des épaisseurs kilométriques de tholéiite, des horizons mineurs de komatiites, et des volumes de moindre importance de roches volcaniques felsiques. Les séquences bimodales sont constituées à la base, de coulées tholéiitiques surmontées par des volumes mineurs de roches volcaniques felsiques. Ces deux types géochimiques sont recouverts en discordance par des séquences de bassins en succession contenant des roches métasédimentaires clastiques fluvio-alluvionnaires associées à des roches volcaniques calco-alcalines à alcalines. Un échantillonnage à contrôle stratigraphique des séquences bimodales a révélé la présence de cycles d’enrichissement en Fe dans les tholéiites, ainsi que des épaisseurs continues d’épanchements tholéiitiques ayant des valeurs presque constante en MgO, qui s’explique par la cristallisation fractionnée et le réapprovisionnement de la chambre magmatique par du matériel mantélique. Les études géochimiques montrent la présence de boninites associées aux komatiites, résultant en partie de l’altération ou de la contamination des komatiites. Au sein des séquences bimodales, on retrouve en de rares occasions des adakites, des basaltes enrichis en Nb et des andésites magnésiennes. Les ceintures de roches vertes sont englouties dans des batholites granitoïdes de composition passant des tonalites−trondhjémites−granodiorites enrichies en sodium, à des roches granitoïdes tardives plus potassiques. Les ceintures de roches vertes archéennes montrent un style structural unique que l’on ne retrouve pas dans des orogènes plus jeunes, et qui est constitué d’alternances de dômes à coeur granitoïdes et d`affaissements principalement composés de roches volcaniques. Les synclinaux formant les affaissements sont recoupés par de grandes zones de cisaillement. Les profils métamorphiques indiquent que le métamorphisme de basse pression des roches vertes est centré sur les batholites, indiquant un rôle central des roches granitoïdes durant le métamorphisme des roches vertes. Les profils métamorphiques montrent également que la proportion de roches vertes dans les terranes granitiques diminue avec l’exposition des niveaux plus profonds. On présente les arguments des deux côtés de l’intense controverse voulant que les ceintures de roches vertes soient le produit de processus moderne de la tectonique des plaques incluant la subduction, ou alors le produit d’autres processus tectoniques découlant du « flux mantélique ». Étant donné la présence des indicateurs des processus de tectonique des plaques – style structural, les types de roches, et les caractéristiques géochimiques – ne se retrouvent qu’à l’Archéen, nous concluons que les indices favorisent légèrement l’option de processus tectoniques non-actuels dans les terranes granitiques de roches vertes à l’Archéen.